마이크로채널 칩 냉각 기술

액체 냉각은 데이터 센터의 미래입니다. 데이터 홀에 도달하는 전력 밀도를 공기가 감당할 수 없기 때문에 열용량이 높은 밀도 높은 유체가 연결부로 유입됩니다. IT 장비의 열밀도가 높아질수록 액체는 그에 가까워진다. 하지만 액체는 얼마나 멀리까지 가까워질 수 있을까요? 데이터 센터 캐비닛의 뒷문을 통해 물 순환 시스템을 운영하는 것이 널리 받아들여지고 있습니다. 다음으로, 시스템은 GPU나 CPU와 같이 특히 뜨거운 구성 요소의 차가운 보드로 물을 계속 순환시킵니다. 또한 침지 시스템은 전체 랙을 유전체 유체에 담그므로 냉각수가 시스템의 모든 부분과 접촉할 수 있습니다. 이제 주요 공급업체는 몰입도에 최적화된 서버를 제공합니다.

1981년 스탠포드 대학의 연구원 David Tuckerman과 RF Pease는 열을 보다 효과적으로 제거하기 위해 방열판에 작은 "마이크로 채널"을 에칭할 것을 제안했습니다. 작은 채널은 더 넓은 표면적을 가지며 더 효과적으로 열을 제거할 수 있습니다. 그들은 방열판이 VLSI 칩의 구성 요소가 될 수 있다고 제안했으며, 그들의 시연은 마이크로채널 방열판이 평방 미터당 800W의 인상적인 열 유속을 지원할 수 있음을 보여줍니다.

반도체 제조가 발전하고 3차원 구조로 진입하면서 통합 냉각 및 처리 아이디어가 더욱 실용화되었습니다. 1980년대부터 제조업체들은 실리콘 칩에 여러 구성 요소를 오버레이하려고 시도했습니다. 다층 실리콘 칩 위에 채널을 생성하는 것은 냉각을 위한 빠르고 최적의 방법일 수 있습니다. 방열판의 핀과 유사한 작은 홈을 구현하는 것만으로도 시작할 수 있기 때문입니다. 그러나 이 아이디어는 칩 공급업체가 능동 부품을 적층하기 위해 3D 기술을 사용하기를 희망하기 때문에 많은 관심을 받지 못했습니다. 이 방법은 이제 고밀도 메모리에서 허용되며 Nvidia 특허에서는 GPU를 스택하기 위한 것일 수 있음을 나타냅니다.

연구자들은 수년 동안 실리콘 칩 표면에 미세유체 채널을 에칭하는 작업을 진행해 왔습니다. Georgia Institute of Technology의 팀은 2015년 Intel과 협력하여 트랜지스터가 실리콘에서 작동하는 위치에서 불과 몇 백 마이크로미터 떨어진 곳에 통합된 미세 유체 냉각 층이 있는 FPGA 칩을 최초로 제조할 가능성이 있습니다. 조지아 공과대학 팀장인 무하나드 바키르(Muhannad Bakir) 교수는 보도자료에서 “우리는 트랜지스터에서 불과 수백 마이크로미터 떨어진 곳에서 액체를 냉각시켜 실리콘 칩 상단의 방열판을 제거했습니다.”라고 말했습니다. 우리는 미세유체 냉각을 실리콘에 직접적이고 안정적으로 통합하는 것이 차세대 전자 제품을 위한 획기적인 기술이 될 것이라고 믿습니다.

미세유체 냉각 채널의 3D 네트워크가 칩 내부에 설계되어 있으며, 열이 발생하는 각 트랜지스터 장치의 활성 부분 바로 아래 몇 마이크로미터에 위치해 있습니다. 이 방법을 사용하면 냉각 성능을 50배 향상시킬 수 있습니다. 마이크로채널은 유체를 핫스팟으로 직접 전달하고 제곱센티미터당 1.7kW라는 놀라운 전력 밀도를 처리합니다. 이는 평방미터당 17MW에 해당하며, 이는 현재 GPU 열유속의 몇 배에 해당합니다.

열 방출이 어렵다는 것은 오늘날 가장 큰 칩이 모든 트랜지스터를 동시에 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 그렇지 않으면 과열될 것입니다. 미세유체공학을 적용하면 칩 성능과 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 에너지 집약적인 냉동 시스템 없이도 데이터 센터를 보다 효율적으로 운영할 수 있습니다.